Kimyo · Elementlar kimyosi · 9-sinf

Kremniy va silikatlar

Qumdan qanday qilib deraza oynasi, sement va quyosh paneli olinadi?

Vaziyat

Farg‘ona vodiysidagi Quvasoy shisha zavodida oddiy qumdan deraza oynasi quyiladi, Ohangaron sement zavodida ohaktosh va loy pechda kuydirilib sementga aylanadi, Rishton kulollari loydan sopol kosa yasaydi. Uyingiz tomidagi quyosh panelining asosi ham — o‘ta toza kremniy. Bularning barchasi Yer po‘stida kisloroddan keyin eng ko‘p tarqalgan element — kremniy va uning birikmalari. Bir hovuch qumdan qanday qilib shisha, sement va elektr toki beradigan plastina olinadi?

Mavzu

Kremniy, silikatlar va silikat sanoati. Quvasoy shisha zavodi va quyosh paneli: qumdan deraza shishasi, sement, g‘isht va sof kremniy

Asosiy tushunchalar

Kremniy — yarimo‘tkazgich
Silikatlar va shisha
Sement va keramika

Formulalar

SiO_{2} + 2 C \overset{}{\to} Si + 2 CO

Sanoatda kremniy olish: kvars qumini koks bilan ≈ 2000 °C da qaytarish (texnik kremniy ≈ 98–99 %).

Na_{2} SiO_{3} + 2 HCl \overset{}{\to} H_{2} SiO_{3} ↓ + 2 NaCl

Silikat kislota olish: «suyuq shisha»ga kislota qo‘shilganda gel hosil bo‘ladi; ionli ko‘rinishi $SiO_{3}^{2 -} + 2 H^{+} \overset{}{\to} H_{2} SiO_{3} ↓$ .

6 SiO_{2} + Na_{2} CO_{3} + CaCO_{3} \overset{}{\to} Na_{2} O \cdot CaO \cdot 6 SiO_{2} + 2 CO_{2} ↑

Deraza shishasini pishirish (≈ 1500 °C): qum, soda va ohaktosh.

CaCO_{3} \overset{}{\to} CaO + CO_{2} ↑

Sement klinkerining asosi — ohaktosh kuydirilganda hosil bo‘ladigan CaO; klinker ≈ 1450 °C da pishiriladi.

λ_{\max} = \frac{h c}{E_{g}} = \frac{1240 eV·nm}{1,12 eV} \approx 1107 nm

Kremniy quyosh elementi to‘lqin uzunligi ≈ 1107 nm dan qisqa yorug‘likni elektrga aylantiradi.

Nazariya

Kremniy: davriy sistemadagi o‘rni, tuzilishi va xossalari

Kremniy (Si) — 3-davr, IV A guruh, Z = 14: elektron qavatlari 2 · 8 · 4, tashqi qavat $3 s^{2} 3 p^{2}$ . Birikmalarida oksidlanish darajasi asosan +4 (SiO₂, silikatlar) va −4 (silitsidlarda, masalan Mg₂Si). Kremniy Yer po‘stida massa bo‘yicha ≈ 27,7 % — kisloroddan keyin ikkinchi o‘rinda, lekin tabiatda erkin holda uchramaydi: kremnezem SiO₂ (kvars, qum) va silikatlar ko‘rinishida. Kristall kremniy — to‘q kulrang, metalldek yaltiroq, qattiq va mo‘rt, zichligi 2,33 g/sm³, 1414 °C da suyuqlanadi; kristall panjarasi olmosnikiga o‘xshash (har bir atom 4 ta qo‘shni bilan, Si–Si 235 pm). Kremniy — yarimo‘tkazgich: taqiqlangan zona kengligi 1,12 eV; qizdirilganda yoki yoritilganda o‘tkazuvchanligi ortadi. Laboratoriyada $SiO_{2} + 2 Mg \overset{}{\to} Si + 2 MgO$ , sanoatda $SiO_{2} + 2 C \overset{}{\to} Si + 2 CO$ . Oddiy sharoitda kremniy inert, qizdirilganda yonadi: $Si + O_{2} \overset{}{\to} SiO_{2}$ ; ishqor eritmasida vodorod ajratib eriydi: $Si + 2 NaOH + H_{2} O \overset{}{\to} Na_{2} SiO_{3} + 2 H_{2} ↑$ ; magniy bilan silitsid beradi, undan silan olinadi: $Mg_{2} Si + 4 HCl \overset{}{\to} 2 MgCl_{2} + SiH_{4} ↑$ (SiH₄ havoda o‘z-o‘zidan alangalanadi).

Sof kremniy va quyosh energetikasi

Quyosh elementi uchun kremniy juda toza bo‘lishi kerak: kamida 99,9999 % («6N»), mikrosxemalar uchun 99,9999999 % va undan ham toza. Yo‘l: kvars qumi → elektr yoy pechida texnik kremniy (≈ 98–99 %) → HCl bilan triklorsilan ( $Si + 3 HCl \overset{}{\to} SiHCl_{3} + H_{2}$ , ≈ 300 °C) → haydash bilan tozalash → vodorod bilan qaytarish ( $SiHCl_{3} + H_{2} \overset{}{\to} Si + 3 HCl$ , ≈ 1100 °C) — polikremniy → eritmadan urug‘ kristall bilan cho‘zib olinadigan monokristall quyma → yupqa plastinalar. Yorug‘lik fotoni elektronni bog‘dan chiqarib, «elektron–kovak» juftini hosil qiladi; p–n o‘tish ularni ajratadi — tashqi zanjirda tok paydo bo‘ladi. Fotonning energiyasi 1,12 eV dan katta bo‘lishi kerak: to‘lqin uzunligi ≈ 1107 nm dan qisqa nur ishlaydi. Panel quvvati yorug‘lik oqimiga proporsional: $P = η G S$ (modelda $η$ = 20 %, $S$ = 0,1 m²; tushki quyoshda $G \approx 1000$ Vt/m²).

Kremniy(IV) oksid, silikat kislota va silikatlar (2-laboratoriya ishi)

SiO₂ — qattiq, juda yuqori haroratda suyuqlanadigan modda (kvars, qum, opal): har bir Si atomi 4 ta O bilan tetraedr hosil qiladi, tetraedrlar uchlari orqali uch o‘lchamli to‘rga ulangan. SiO₂ suvda erimaydi, kislotalar bilan reaksiyaga kirishmaydi (faqat plavik kislota bilan: $SiO_{2} + 4 HF \overset{}{\to} SiF_{4} ↑ + 2 H_{2} O$ — shisha shu bilan naqshlanadi), lekin kislotali oksid: ishqor va soda bilan suyuqlantirilganda silikatlar beradi: $SiO_{2} + 2 NaOH \overset{}{\to} Na_{2} SiO_{3} + H_{2} O$ . Na₂SiO₃ va K₂SiO₃ eritmasi — suyuq shisha (yelim, olovbardosh shimdirma). Unga kislota qo‘shilsa, kuchsiz silikat kislota gel holida ajraladi: $Na_{2} SiO_{3} + 2 HCl \overset{}{\to} H_{2} SiO_{3} ↓ + 2 NaCl$ ; hatto CO₂ ham uni siqib chiqaradi: $Na_{2} SiO_{3} + CO_{2} + H_{2} O \overset{}{\to} H_{2} SiO_{3} ↓ + Na_{2} CO_{3}$ . Quritilgan gel — silikagel (namlik yutuvchi). Tabiiy silikatlar (laboratoriya ishi): kvars SiO₂, dala shpati $KAlSi_{3} O_{8}$ = K₂O·Al₂O₃·6SiO₂, slyuda, kaolin $Al_{2} Si_{2} O_{5} (OH)_{4}$ = Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O, talk, asbest; granit — kvars, dala shpati va slyuda aralashmasi. Silikat formulasini oksidlar ko‘rinishida yozish tarkibni tushunishni osonlashtiradi.

Shisha (3-laboratoriya ishi)

Oddiy deraza shishasi ≈ Na₂O·CaO·6SiO₂: qum, soda va ohaktosh aralashmasi ≈ 1500 °C da eritiladi: $Na_{2} CO_{3} + SiO_{2} \overset{}{\to} Na_{2} SiO_{3} + CO_{2} ↑$ , $CaCO_{3} + SiO_{2} \overset{}{\to} CaSiO_{3} + CO_{2} ↑$ . Shisha — amorf modda: aniq suyuqlanish harorati yo‘q, qizdirilganda asta yumshaydi. Float usuli (A. Pilkington, XX asr 50-yillari): eritilgan shisha suyuq qalay vannasi ustiga quyiladi, uning yuzasida tekis yoyiladi — silliq va bir xil qalinlikdagi list olinadi, so‘ng tunnel-pechda sekin sovitiladi. Farg‘ona viloyatidagi Quvasoy «Kvarts» shisha zavodi 1975-yildan ishlaydi; list shishani float usulida ishlab chiqaradi. Turlari: natriy-kalsiyli (deraza, idish); kaliyli (qiyin suyuqlanadigan); qo‘rg‘oshinli — billur (yaltiroq, og‘ir); borosilikat (B₂O₃ qo‘shilgan — issiqlikka chidamli laboratoriya idishlari); kvars shishasi (toza SiO₂); rangli: CoO — ko‘k, Cr₂O₃ — yashil, temir oksidlari — yashil-qo‘ng‘ir. Sitallar — tarkibiga TiO₂ yoki ZrO₂ qo‘shib, nazorat ostida kristallantirilgan shisha: juda mustahkam va issiqbardosh (oshxona plitalari).

Sement, beton va keramika

Portlandsement: ohaktosh (≈ 3/4) va loy (yoki loyga o‘xshash tuproq) maydalanib, aylanuvchi pechda ≈ 1450 °C da kuydiriladi — klinker donachalari hosil bo‘ladi: $CaCO_{3} \overset{}{\to} CaO + CO_{2} ↑$ , $3 CaO + SiO_{2} \overset{}{\to} Ca_{3} SiO_{5}$ . Klinker ≈ 5 % gips bilan birga mayda tuyiladi. Suv bilan qorilganda silikatlar gidratlanadi: $2 Ca_{3} SiO_{5} + 6 H_{2} O \overset{}{\to} Ca_{3} Si_{2} O_{7} \cdot 3 H_{2} O + 3 Ca (OH)_{2}$ — kalsiy gidrosilikat tolalari bir-biriga chirmashib, tosh kabi qotadi; mustahkamlik bir necha oy davomida ortadi (28 kunlik — me’yoriy qiymat). Har bir tonna klinkerda ohaktoshdan ≈ 0,5 t CO₂ ajraladi. Beton = sement + qum + shag‘al + suv. Keramika: loy (asosan kaolinit) suv bilan qoriladi, shakl beriladi, quritiladi va kuydiriladi: g‘isht ≈ 900–1000 °C, chinni ≈ 1300–1400 °C. Rishton (Farg‘ona viloyati) kulolchiligi ko‘k-moviy naqshlari bilan mashhur; an’anaviy «ishqor» sirida o‘simlik kulidan olinadigan ishqoriy moddalar ishlatiladi.

Univ.: sement zavodi, laboratoriya ishlari va model

Klinker minerallari (qisqa yozuv: C = CaO, S = SiO₂, A = Al₂O₃, F = Fe₂O₃): alit C₃S (50–70 %) — tez qotadi va erta mustahkamlik beradi; belit C₂S (15–30 %) — sekin, lekin uzoq qotadi; C₃A (5–10 %) — juda tez reaksiyaga kirishadi va ko‘p issiqlik chiqaradi (gips uni sekinlashtiradi); C₄AF (5–15 %). Oksid tarkibidan Bogue tenglamalari bilan hisoblanadi: $C_{3} S = 4,071 C - 7,600 S - 6,718 A - 1,430 F - 2,852 S O_{3}$ va hokazo; ohak bilan to‘yinish koeffitsienti $LSF = C / (2,8 S + 1,2 A + 0,65 F)$ ≈ 0,92–0,98. Laboratoriya: Vika asbobida sement xamirining normal quyuqligi — pestik plastinkaga 6 ± 1 mm yetmay to‘xtaydigan suv/sement nisbati (odatda 0,24–0,30); gipsning qotish vaqti — igna xamir tubiga yetmay qolgan payt (qotish boshlanishi) va sirtga deyarli botmay qolgan payt (qotish oxiri); oddiy qotadigan gipsda ≈ 6 dan 30 minutgacha. Xavfsizlik: sement va ohak changi ko‘z va terini kuydiradi — ko‘zoynak, qo‘lqop, niqob; asbest changi kanserogen. Model: Bogue tenglamalari va gidratlanish issiqligi (C₃S 502, C₂S 260, C₃A 867, C₄AF 419 J/g) — ma’lumotnomadan; mustahkamlik egri chizig‘i, Vika va gips sinovlari — tipik qiymatlarga moslangan sxematik modellar; diorama — kichraytirilgan maket.

Bilasizmi?

Kremniy Yer po‘stining massa bo‘yicha taxminan 27,7 % ini tashkil qiladi — kisloroddan keyin ikkinchi o‘rinda; tabiatda u faqat birikmalar — kvars va silikatlar holida uchraydi.
Portlandsementga 1824-yilda ingliz g‘isht teruvchisi Jozef Aspdin patent olgan; nomini qotgan sementning Portlend orolidagi qurilish toshiga o‘xshashidan olgan.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.

Shu bo‘limdagi boshqa tajribalar

Kislorod guruhi va oltingugurt — 8-sinf
Sulfat kislota va kontakt usuli — 8-sinf
Azot, ammiak va nitrat kislota — 8-sinf
Fosfor va mineral o‘g‘itlar — 8-sinf
Uglerod va uning birikmalari — 9-sinf
Cho‘yan va po‘lat olish — 9-sinf
Metallar va qotishmalar — 9-sinf
Ishqoriy metallar va soda — 9-sinf
Alyuminiy va uning birikmalari — 9-sinf
Mis, kumush, oltin va rux — 9-sinf